Конспект лекций по дисциплине Метрология и стандартизация. Часть 1. Метрология (стр. 4 из 5)

- Функциональные преобразователи обеспечивают необходимую зависимость между информативными параметрами входного и выходного сигналов. Такие преобразователи называют : дифференцирующий, интегрирующий, суммирующий, логарифмирующий и т.п.

- Согласование по уровню (размеру) входного сигнала осуществляется с помощью масштабных преобразователей. К ним относятся : делитель, усилитель, трансформатор тока (напряжения).

- Согласование по сопротивлению обеспечивается с помощью согласующих преобразователей (согласующий трансформатор, эмиттерный повторитель).

- По месту включения в общей цепи преобразователи делят на первичные, к которым подводится измеряемая величина, промежуточные и передающие, предназначенные для дистанционной передачи сигналов.

- По виду характеристики преобразования преобразователи делят на линейные и нелинейные.

2.2 Метрологические характеристики средств измерений и их нормирование.

Для каждого вида средств измерений (СИ), исходя из их специфики и назначения, нормируется определенный комплекс метрологических характеристик, указываемый в нормативно-технической документации на СИ. В этот комплекс должны включатся такие характеристики, которые позволяют определить погрешность данного СИ в известных рабочих условиях его применения. Общий перечень основных нормируемых метрологических характеристик СИ, формы их представления и способы нормирования установлены в ГОСТ 8.009-72. В него входят :

- пределы измерений, пределы шкалы;

- цена деления равномерной шкалы аналогового прибора или многозначной меры, при неравномерной шкале – минимальная цена деления;

- выходной код, число разрядов кода, номинальная цена единицы наименьшего разряда цифровых СИ;

- номинальное значение однозначной меры, номинальная статическая характеристика преобразования измерительного преобразователя;

- погрешность СИ;

- вариация показаний прибора или выходного сигнала преобразователя ;

- полное входное сопротивление измерительного устройства;

- полное выходное сопротивление измерительного преобразователя или меры;

- неинформативные параметры выходного сигнала измерительного преобразователя или меры;

- динамические характеристики СИ;

- функции влияния;

- наибольшие допустимые изменения метрологических характеристик СИ в рабочих условиях применения.

Нормирование метрологических характеристик необходимо для решения следующих задач :

- придания всей совокупности однотипных СИ требуемых одинаковых свойств и уменьшения их номенклатуры;

- обеспечение возможности оценки инструментальных погрешностей и сравнения СИ по точности;

- обеспечение возможности оценки погрешности измерительных систем по погрешностям отдельных СИ. Погрешности, присущие конкретным экземплярам СИ, устанавливаются только для образцовых СИ при их аттестации.

Рассмотрим указанные характеристики, а также ряд важных понятий, связанных с ними.

Отсчетные устройства приборов. На рис. 4 показано отсчетное устройство аналогового прибора.

Деление шкалы – промежуток Dl между двумя соседними отметками шкалы. Длина деления шкалы – расстояние между осями двух соседних отметок. Цена деления шкалы – разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

Шкалы бывают равномерными и неравномерными. Равномерная шкала в отличие от неравномерной – шкала с делениями постоянной длины и с постоянной ценой деления.

Отсчетом называется число, определенное по отсчетному устройству.

Показание прибора – значение величины, определяемое по отсчетному устройству и выраженное в принятых единицах этой величины.

В многопредельных приборах, где одна и та же шкала используется для на разных пределах измерения, показание прибора равно отсчету, умноженному на цену деления для соответствующего предела измерения. В некоторых случаях показание определяется с помощью отсчета, по прилагаемой к прибору градуированной характеристике – зависимости между отсчетом и значением величины на входе прибора, представленной в виде таблицы, графика или формулы.

Диапазон показаний (ДП) – область значений шкалы, ограниченная конечным (наибольшим) и начальным (наименьшим) значениями физической величины, указанными на шкале.

Диапазон измерений (ДИ) – область значений измеряемой величины, для которой нормирована погрешность средства измерений.

Предел измерений – наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений. Диапазон показаний и диапазон измерений могут не совпадать (см. рис. 4).

Отсчетное устройство цифрового прибора характеризуется числом десятичных разрядов и ценой (деления) единицы младшего разряда, которая, очевидно, не может быть меньше шага квантования. Цифровое отсчетное устройство эквивалентно равномерной шкале, так как одинаковому цифрового кода соответствует одинаковое приращение показаний. Поэтому наличие нелинейности преобразования измеряемой величины в код приводит к погрешности цифрового прибора. Соответственно к преобразователям цифровых приборов предъявляется требование высокой линейности. В то же время в аналоговом приборе нелинейная зависимость перемещения указателя от изменения измеряемой величины может быть учтена введением соответствующей нелинейности (неравномерности) шкалы.

Параметры входного и выходного сигналов СИ, влияющие величины, функции влияния.

Входной и выходной сигналы СИ характеризуются информативными и неинформативными параметрами. Информативный параметр входного сигнала является самой измеряемой величиной или величиной, функционально связанной с измеряемой. Неинформативный параметр не связан функционально с измеряемой величиной, но влияет на метрологические характеристики СИ (в частности, на погрешность). Например. При измерении амплитуды напряжения информативным параметром является амплитуда сигнала, а неинформативным – его частота. Выходной сигнал преобразователя также может быть охарактеризован информативными и неинформативными параметрами.

На метрологические характеристики СИ сильно влияют внешние физические воздействия (климатические, механические, электромагнитные) и изменения параметров источников питания – влияющие величины.

По условиям применения СИ, различают нормальные и рабочие условия. Они отличаются диапазоном изменения неинформативных параметров входного сигнала и влияющих величин.

Нормальными называются условия, для которых нормируется основная погрешность СИ. При этом влияющие величины и неинформативные параметры входного сигнала имеют нормальные значения. Например, для генератора определенного типа установлены нормальные температурные условия +10..+35° С. В этом температурном диапазоне гарантируется основная погрешность прибора, указанная в его паспорте. Но прибор может работать и в более широком диапазоне температур, например, от 0 до +40° С. Этот диапазон называется рабочим. Для нормальных условий нормируется основная погрешность СИ, для рабочих – дополнительная.

Условия эксплуатации СИ оговаривают в соответствующих стандартах и делят на группы, различающиеся значениями влияющих величин.

Функция влияния – зависимость изменения метрологической характеристики СИ от изменения влияющей величины или неинформативного параметра входного сигнала в пределах рабочих условий эксплуатации. Функция влияния может нормироваться в виде формулы, графика или таблицы.

Наряду с условиями применения для всех СИ задаются предельные условия транспортирования и хранения, не изменяющие метрологические свойства СИ после его возвращения в рабочие условия.

Характеристики преобразования. Быстродействие СИ.

Статическая характеристика преобразования – связь, выражающая зависимость информативного параметра выходного сигнала от постоянного информативного параметра входного сигнала. Ее можно представить в аналитическом виде, графическом или табличном. В аналитическом виде характеристика преобразования - уравнения y=F(x), которое может быть может быть линейным (рис. 5-а.) или нелинейным (рис. 5-б., 5-в.).

Заметим, что для прибора, шкала которого проградуирована в значениях измеряемой величины, всегда y=x и графическая характеристика преобразования представляет прямую линию под углом 45 градусов относительно оси х. В то же время угол отклонения указателя аналогового отсчетного устройства этого прибора при наличии нелинейных преобразователей (например, в квадратичном вольтметре) будет нелинейной функцией х. В цифровых приборах из-за квантования сигнала характеристика преобразователя является ступенчатой функцией (рис. 6-г.), определяемой выражением у=nDx, где у – показания прибора,Dx – шаг квантования, n – цифровой код измеряемой величины х. При нелинейных преобразователях необходимо линеаризовать характеристики преобразования прибора. В аналоговых приборах для этого используют шкалу с соответствующей неравномерностью. В цифровых приборах отсчетное устройство эквивалентно равномерной шкале. Для линеаризации характеристики преобразования необходимо в прибор вводить аналоговые линеаризирующие преобразователи либо вычислительные средства, выполняющие необходимое преобразование цифрового кода.

Динамические характеристики СИ определяют инерционные свойства СИ и представляют собой зависимость информативного параметра выходного сигнала от меняющихся во времени параметров входного сигнала. К числу динамических характеристик относятся : импульсная g(t), является реакцией преобразователя на дельта – функцию d(t); переходная h(t) – реакция на единичный ступенчатый сигнал; дифференциальное уравнение СИ; передаточная функция, является отношением операторных изображений выходной величины к входной К(р) = y(p)/x(p); амплитудно-частотная и фазо-частотная.